Los átomos y las moléculas son el foco de interés de la técnica de simulación informática conocida como dinámica molecular.
Dinámica molecular es el nombre de una técnica de simulación informática que sirve para observar cómo se mueven las partículas. Para ello, mediante una computadora, se hace una prueba de interacción de moléculas y átomos durante un cierto periodo de tiempo.
Valiéndose de procedimientos de carácter numérico, algoritmos propios de la teoría de la información y de las ciencias de la computación, así como de principios y conjeturas procedentes de la química, la física y las matemáticas, este recurso aporta información relevante en cuanto a la evolución que paulatinamente va evidenciando un sistema que puede ser biológico, químico o físico.
La dinámica molecular, una metodología concebida en el seno de la física teórica que fue expandiéndose hasta resultar útil también dentro de la ciencia de materiales y la biofísica, no es exacta dado que hay un margen de error aunque se intente trabajar con el mejor nivel de aproximación posible. Conviene tener en claro que el comportamiento simulado no es cien por ciento fiel a la realidad, sino que ofrece un panorama representativo acerca de un determinado comportamiento en un espacio fásico.
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ResumenPrincipios y características de la dinámica molecular
Al momento de entender en qué consiste la dinámica molecular, cuáles son sus características, en qué principios se sustenta y cómo se lleva a cabo es esencial instruirse en torno a múltiples expresiones y nociones.
Resulta fundamental dominar los conceptos de campos de fuerza (como lo son, desde la mirada de la física clásica, el campo gravitatorio y el campo electromagnético, por ejemplo) y de fuerzas intermoleculares (en alusión a las interacciones que se producen entre moléculas, tal como ocurre con las atracciones dipolo-dipolo y las fuerzas de dispersión o de Van der Waals, por citar dos referencias).
Hay que conocer y poder resolver, asimismo, las ecuaciones de movimiento de Newton a fin de lograr calcular las fuerzas que se producen entre átomos. Lo mismo con los algoritmos de integración temporal, conjunto del que es parte el denominado algoritmo de Verlet: para aprovechar la dinámica molecular hay que incorporar también esta clase de recurso.
A través de la técnica bautizada como dinámica molecular es posible hacer una simulación del movimiento propio del ADN, contemplando sus interacciones y plegamientos.
Aplicaciones
El campo de aplicación de la dinámica molecular es muy diverso, tal como se advertirá en base a los datos que compartiremos a continuación.
Según se desprende de la práctica, este método computacional es efectivo para efectuar pruebas y realizar hallazgos vinculados al ámbito de las proteínas. Específicamente, en torno a la interacción proteína-ligando y al plegamiento de proteínas.
Los expertos en ciencia de materiales, en tanto, se valen de la técnica de dinámica molecular al trabajar con materiales porosos o al dedicarse al área de la nanotecnología.
Es útil, además, para estudiar reacciones químicas y recopilar información en cuanto a las propiedades de gases o líquidos. Las labores relacionadas a la dinámica de membranas y al diseño de fármacos, por sumar más ejemplos, se benefician con la metodología de la dinámica molecular.
Las combinaciones de esta técnica y la inteligencia artificial, además, están abriéndole camino a una era revolucionaria que, si bien todavía exige ensayos y desarrollos, promete resultados de enorme relevancia en materia científica. Una muestra de esto es el diseño de un agonista dual de un receptor identificado como GIP/GLP-1 que se perfila como una solución eficaz en el tratamiento de patologías como la obesidad y la diabetes tipo 2.
Requisitos para la simulación de dinámica molecular
Para concretar una simulación de dinámica molecular hay que ocuparse de preparar los sistemas considerando, entre otras cuestiones, a los ensambles termodinámicos. No puede pasarse por alto al ensamble isotérmico-isobárico (NPT) ni al ensamble canónico (NVT).
La formación práctica y teórica debe considerar, además, la enseñanza y aplicación de la técnica de termostatización y de la metodología orientada a analizar e interpretar los resultados de cada simulación.
Hay que capacitarse, de igual modo, en el uso de software de dinámica molecular (GROMACS, AMBER, NAMD) y disponer de herramientas para visualizar las simulaciones.
La dinámica molecular genera enormes beneficios para la evolución de la investigación científica y los desarrollos tecnológicos, por eso se la aprovecha en numerosas disciplinas.
Avances y estudios
Si bien al día de hoy se enfrentan limitaciones y hay desafíos por superar mediante la investigación y la experimentación, los estudios y avances en materia de dinámica molecular no dejan de crecer a nivel mundial.
Tiempo atrás, por detallar un caso relevante a escala internacional, un grupo de investigadores anunció desde Barcelona la creación de una base de datos de acceso libre y gratuito centrada en simulaciones de dinámica molecular de gran utilidad para saber más acerca de proteínas víricas vinculadas al COVID-19.
Es un desarrollo moderno e innovador, señalaron sus impulsores, capaz de ser compatible con simulaciones actuales y que permite, incluso, trabajar con sistemas de tamaño considerable y extensas trayectorias.
Ha trascendido, por otra parte, el aprovechamiento de las simulaciones de dinámica molecular para describir, a escala atomística, el fenómeno de permeabilidad sin necesidad de sintetizar compuestos previamente. En concreto, esta técnica se ha contemplado en un trabajo de predicción del nivel de permeabilidad observable en pequeños compuestos teniendo en cuenta a la barrera hematoencefálica.
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